Ist 3D-Metall-Extrusion die Zukunft der additiven Fertigung?

Die 3D-additive Metall-Extrusionsfertigung etabliert sich zunehmend am Markt. Mit einem attraktiveren Preis als andere 3D-Technologien hat sie das Potenzial, den Markt aufzumischen. Wir porträtieren mehrere große Akteure – und ihre Alleinstellungsmerkmale.

Angesichts der vielen Nachrichten über 3D-Metalldruck sind Sie wahrscheinlich mindestens interessiert, wenn nicht aktiv auf der Suche nach Optionen. Hersteller nutzen Technologien wie Direct Metal Laser Sintering (DMLS) und Electron Beam Melting (EBM), um alles zu drucken – von Düsen für Strahltriebwerke bis zu medizinischen Prothesen. Warum sollte Ihr Shop die Technologie nicht für Prototypen, Werkzeuge und Kleinserienteile nutzen?

Ein Grund: Die Drucker für diese Teile kosten viel. Rechnen Sie mit 500.000 $ und mehr für eine laserbasierte Pulverbett-Maschine, plus Software, Schulung und Peripherie. Das benötigte Metallpulver ist oft proprietär, ebenso die Laser zum Sintern.

Die neuen 3D-Metall-Extrusions-Player

Keine Sorge. Eine neue Generation 3D-Metalldrucker ist kürzlich auf den Markt gekommen. Diese Maschinen sind deutlich günstiger, relativ einfach zu bedienen und produzieren vollverdichtete Metallteile für Endanwendungen. Es gibt mehrere unterschiedliche Technologien mit rund einem Dutzend Gerätehersteller, die eigene Alternativen zu klassischen Pulverbett-Systemen anbieten. Hier einige Beispiele.

Ist 3D-Additive Fertigung trotz des Hypes tragfähig? Lesen Sie „The Case for 3D Printing in Manufacturing“, um mehr zu erfahren.

3D-Metall-Extrusions-Profile: Markforged, Desktop Metal, Digital Metal

Markforgeds Metal X Drucker nutzt eine proprietäre „Atomic Diffusion Additive Manufacturing“ (ADAM) Technologie, um Teile aus 17-4 PH oder 303 Edelstahl zu drucken – Aluminium, Inconel, Titan und weitere sind geplant.

Die Technologie extrudiert stabförmige Zylinder aus pulverisiertem Metall, das zuvor mit einem Kunststoffbinder vermischt wurde, durch eine Düse, um 50 µm (0,002 Zoll) dicke Schichten zu erzeugen. Nach Fertigstellung wird das „grüne“ Teil durch eine Waschstation geführt, um einen Teil des Binders zu entfernen, und anschließend in einem Ofen gesintert, der den restlichen Binder verbrennt und die Metallpartikel verschmilzt. Bei einem Preis von ca. 100.000 $ für ein Komplettsystem sind die Fertigungskosten angeblich bis zu 10-mal niedriger als bei alternativen Metall-Additiv-Technologien und bis zu 100-mal niedriger als bei Zerspanung.

3D-Metall-Extrusions-Profil: Desktop Metal, Digital Metal

Desktop Metal bietet zwei 3D-Metalldrucker an: das Studio System und das Production System. Das Studio System ist ein „bürofreundlicher“ Drucker, der einen Extrusionsprozess nutzt, ähnlich dem von Markforged. Sein patentiertes Bound Metal Deposition-Verfahren druckt 17-4 PH, 316L, Inconel und andere Pulver, ähnlich denen im jahrzehntealten Metal Injection Molding (MIM), aber in einem Polymermix gebunden. Schichtdicken von 50 µm (0,002 Zoll) und Baugeschwindigkeiten von 16 cm³/h (1 in³/h) sind möglich. Auch hier werden Teile in einer Entbinder-Station gewaschen und anschließend in einem Ofen bei bis zu 1400 °C (2552 °F) gesintert. Desktop Metal behauptet ebenfalls, 10-mal günstiger als laserbasierte 3D-Metalldrucker zu sein.

Mit Baugeschwindigkeiten bis zu 8200 cm³/h (500 in³/h) soll das Production System von Desktop Metal 100-mal schneller sein als laserbasierte Metalldrucker und ist klar für die Serienfertigung ausgelegt. Mit 32.000 Düsen und einem bidirektionalen Pulververteiler setzt die Single-Pass-Jetting-Technologie Millionen Tropfen Bindemittel pro Sekunde pro Schicht ab. Auch Anti-Sintermittel erleichtern das spätere Entfernen von Stützstrukturen. Die „braunen“ Teile werden dann in einem Ofen knapp unter der Schmelztemperatur des Metalls zu einem vollverdichteten Produkt verschmolzen.

Obwohl erst 2019 kommerziell verfügbar, nähert sich der Preis von ca. 400.000 $ für das Production System laserbasierten Pulverbett-Druckern an, bietet aber angeblich Teilekosten vergleichbar mit Metalldruckguss – zumindest bis 100.000 Stück.

Möchten Sie tiefer in 3D-Additive einsteigen? Lesen Sie „The Unique Challenges and Solutions in Metal 3D Printing.“

3D-Metall-Extrusions-Profil: Digital Metal

Digital Metals DM P2500 ist ein weiterer 3D-Metalldrucker mit Binder-Jetting-Technologie. Als Teil der schwedischen Höganäs-Gruppe, einem führenden Metallpulverlieferanten, sagt Digital Metal, dass seine Maschinen über 200.000 hochwertige 3D-gedruckte Komponenten für Luftfahrt, Automobil, Medizintechnik und andere Branchen produziert haben. Schichtdicken bis 42 µm (0,0016 Zoll) und Merkmalsauflösung bis 35 µm (0,0014 Zoll) sind möglich. Baugeschwindigkeiten liegen nahe dem Studio System von Desktop Metal bei 100 cm³/h (6 in³/h), wobei der DM P2500 extrem feine Details und „medizinische“ Oberflächenqualitäten erreichen soll.

Es gibt viele weitere Systeme und Technologien. AM-Maschinenbauer ExOne bietet beispielsweise diverse Binder-Jetting-Maschinen und Materialien von Bronze bis Wolfram. Vader Systems nutzt ein elektromagnetisches Feld, um Teile aus flüssigem Metall aufzubauen. Pollen AMs Pellet-Additive-Fertigung nutzt MIM-Rohmaterial, das bis zu 5-mal günstiger ist als bestehende Pulver-basierte Systeme.

Obwohl laserbasierte 3D-Metalldrucker ihren Platz haben, bieten diese Alternativen Vorteile: Da keine thermischen Spannungen wie bei Lasersystemen auftreten, können Stützstrukturen vereinfacht oder ganz weggelassen werden. Dadurch kann der gesamte Bauraum gefüllt werden – hunderte oder tausende kleine Teile in einem einzigen, unbeaufsichtigten Prozess.

Verwendete Stützstrukturen sind typischerweise leichter zu entfernen, was nachgelagerte Zerspan- oder Handnachbearbeitungsschritte überflüssig machen kann. Da die Metalle dieselben sind wie beim MIM, sind Luftfahrt- und Medizinzulassungen leichter zu erhalten. Es werden keine Argon- oder Stickstoffgase benötigt wie bei Lasersystemen, und es besteht keine Sorge vor Laser-induzierten Explosionen in aluminium- oder titanstaubgefüllter Atmosphäre.

Sind Sie in additive Fertigung und 3D-Druck eingestiegen? Wie war Ihre Erfahrung?